通省特长公路隧道施工过程通风数值模拟分析

2021-01-06秦毅，陈浩

筑路机械与施工机械化 2020年11期

秦毅，陈浩

(1.沈阳公路工程监理有限责任公司，辽宁沈阳 110000； 2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

在隧道和地下工程的施工过程中，施工通风是隧道内外空气交换的惟一手段，是隧道施工人员及作业机械的“生命线”，是保障施工安全不可缺少的技术环节。特别是对于有瓦斯、高温和有毒气体等特殊危险的隧道，必须要保证充足的通风量，降低洞内有害物质的浓度，避免瓦斯爆炸、高温和毒害等灾害的发生[1]。作为隧道施工环境综合控制的主要组成部分，施工通风效果的好坏直接关系到隧道内作业人员的健康和施工效率、工程进度与安全。对于长大公路隧道施工，其长距离通风问题显得更为重要[2]。

近年来，隧道通风一直是国内外研究的热点问题。胡自林[3]等以交通量、隧道长度、人体安全指标为计算依据，采用微分算法，建立了中长公路隧道纵向通风计算模型，对有害气体浓度在中长公路隧道中的分布规律进行了分析[4]。夏永旭探讨了秦岭终南山公路隧道的通风方案，建议用数值模拟方法，研究对于不同区段划分、不同斜(竖)井断面、不同工况、不同风机配置时，隧道内的风流方向、风压分布、风速变化，给出该通风方式的定性及定量描述[4]。张静通过建立三维独头引水隧道风流和粉尘扩散的非稳态欧拉两相流模型，依托云南南汀河引水隧洞工程，对独头掘进掌子面爆破通风过程进行了模拟，研究了隧洞内的风流结构，分析了涡流、壁面粗糙度对粉尘扩散的影响[5]。杜江林等对采用FLAC3D软件某特长公路隧道送风通道风机与隧道间变截面段建模，指出取消联络风道二次衬砌会增大风道横截面积,减小风速，有助于减小通风摩擦阻力,减少压力损失，最终降低建设成本和运营成本[6]。张雄等采用SES软件建立郑州地铁17号线长大区间6 700 m隧道数值计算模型，分析对比不同中间风井活塞通风模式下，该区间隧道的新风量、温度、初投资和牵引能耗费用等，从隧道环境和工程经济性综合分析,推荐采用双活塞通风模式[7]。谢光明等以三联隧道为工程依托，采用流体计算软件Phoenics建立了瓦斯隧道扩散数学模型，得到瓦斯浓度最高点为断面顶端,监测时需以顶端浓度作为判断依据，在入口风速为4 m·s-1条件下,通风30 min时的掌子面CH4浓度降低至0.004 162%，在入口风速为8 m·s-1条件下,通风30 min掌子面CH4浓度降低至0.002%；从施工便利以及通风效果良好两方面考虑,最佳入口风速应设置为5～7 m·s-1[8]。从上述研究可知，隧道通风的研究多集中于矿井隧洞、公路隧道和地铁隧道的运营期。由于公路隧道在运营期间污染物含量较少、且危害小，故而此类工程通风问题的研究较少考虑污染物的扩散与运移，围绕特长公路隧道施工通风的研究仍然较少，且施工通风受隧道所在海拔、施工方法、通风方法及施工工期要求等所面临的问题不尽相同。为此，论文围绕长6 873 m的通省特长公路隧道施工过程通风问题展开数值模拟研究，以优化施工通风方案，指导现场施工通风实施，以期进一步丰富和完善隧道通风设计理论和施工技术。

1 工程概况

该通省隧道系湖北省十堰至房县高速公路上的特长公路隧道，是十房高速公路上的控制工程。隧道进口位于十堰市房县土城镇马蹄山村，出口位于土城镇塘埂村，平面图如图1所示。隧道设计为分离式双洞隧道，两洞轴线相距48.6 m。隧址区域地形复杂、山岭险峻、峰峦叠嶂，最大埋深约500 m。左线设计长度为6 900 m，隧道纵断面采用+1.90%的单向坡；右线设计长度为6 873 m，隧道纵断面采用+1.90%的单向坡，独头掘进长度约为3 450 m。

图1 通省隧道平面

通省隧道进口段施工通风主要分为4个阶段。

(1)第1阶段。左、右洞各自掘进前2 000 m时，左、右洞各自采用压入式管道通风。

(2)第2阶段。第2个车行横通道贯通后，采用巷道式通风，新鲜风流自右洞进入，污风自左洞排出；在右洞第2个车行横通道后一定距离处，设置轴流风机，对工作面进行压入式通风。

(3)第3阶段初期。当第3个车行横通道贯通后，进行换边作业，新鲜风流自左洞进入，污风自右洞排出，并将轴流风机移至左洞第3个车行横通道后一定距离处对工作面进行压入式通风。

(4)第3阶段中后期。竖井溜渣孔的贯通后，随着竖井正向钻爆开挖的进行，竖井扩挖掌子面的施工以及井底出渣作业都将对隧道正洞的施工通风产生影响，其具体的通风布置情况需根据施工后现场施工环境重新设计。

图2 隧道内轮廓图

通省隧道的设计内轮廓图如图2所示，且左、右洞采用相同断面。隧道内轮廓的主要计算尺寸见表1。

表1 隧道断面水力尺寸

通省隧道爆破施工中单循环最大装药量为240 kg，采用式1计算得炮烟抛掷区长度

(1)

代入式(2)得

(2)

由此，计算得CO的初始浓度(体积分数)为

(3)

式(1)～式(3)中:c为CO的初始浓度(ppm)，2 349 ppm为体积分数，合质量分数为2 268 ppm；G为爆破最大装药量(kg)；l0为炮烟抛掷区长度(m)；b为单位质量炸药产生的CO的体积(m3·kg-1)，取值为0.04；A为隧道断面面积(m2)。

2 数值模拟方法

本文采用国际通用流体计算软件Fluent对通省隧道进口段的施工通风各阶段进行数值模拟计算，计算内容主要包括压入式通风数值模拟、巷道式通风模拟、溜渣孔贯通后通风效果模拟和竖井扩挖工况模拟。受篇幅限制，在此仅给出数值模拟复杂程度高、工况多的巷道式通风模拟和竖井扩挖工况模拟方法及计算结果。

2.1 巷道式通风模拟

对通省隧道掘进长度大于2 000 m施工段的爆破施工通风进行数值模拟计算。该施工段隧道内采用巷道式通风，掌子面采用压入式管道通风，其通风布置如图3所示，排风洞内开通的横通道附近采用55 kW的SDS-ⅡNO12.5射流风机，掌子面通风采用2×132 kW的SDF(C)-NO13的轴流风机进行压入式通风。采用巷道式通风时，通风控制工况为隧道掘进过下一横通道位置而横通道尚未贯通时，此时，掌子面压入式通风距离最远，压入式通风阻力最大。针对该控制工况进行数值模拟计算能够为现场施工通风提供有益指导，选取隧道掘进至2 350 m时进行研究，以隧道掘进方向为z轴的负方向，掌子面为x-y平面；掌子面压入式通风风管布置于起拱线位置处，风管出口距掌子面15 m。图4给出了Fluent模型图。

图3 通省隧道巷道式施工通风简图

图4 Fluent模型

本模型采用k-ε中的双方程组分输运模型，其边界条件如下。

(1)隧道进出口为outflow边界条件；

(2)射流风机进口为流量边界条件，出口为速度边界条件，风机的质量流量为55 kg·s-1和出口速度为37.5 m·s-1；

(3)管壁及隧道内壁边界类型均为wall，满足无滑移条件，风管内部流体湍流强度系数取2.5%，直径取1.8 m；隧道内壁粗糙颗粒高度取0.08 m，粗糙系数取0.6；

(4)爆破后隧道掌子面附近CO浓度为2 268 ppm。

2.2 竖井扩挖工况模拟

竖井扩挖施工时，为排除工作面的炮烟、恢复正常作业环境，保证井底空气新鲜，并降低地温对施工产生的不良影响，需对施工作业面进行通风。由于不同扩挖深度的围岩条件不同，其施工爆破参数也不相同；不同扩挖深度下的爆破炮烟抛掷区长度和污染物(CO)初始浓度见表2。

表2 不同围岩条件下的爆破炮烟抛掷区和CO初始浓度

由表2可知，不同围岩级别的炮烟抛掷区长度接近，在此统一取30 m；考虑到不同围岩级别下，扩挖深度越大，通风距离越长，通风越困难，分别取Ⅴ级围岩扩挖57 m、Ⅳ级围岩扩挖182 m、Ⅲ级围岩扩挖217 m，其中循环进尺为1 m进行数值模拟分析。

模型中均采用1.0 m软风管进行压入式通风，风管出口距竖井扩挖工作面15 m，图5、6分别给出几何模型图和隧道横断面网格划分图；物理模型均采用k-ε双方程组分输运模型，其边界条件如下。

图5 竖井扩挖时几何模型

图6 隧道断面网格划分

(1)靠近掌子面的隧道断面为风流进口，设置为速度进口边界条件，进口风速为1.94 m·s-1。

(2)隧道洞口和竖井口为风流出口，其边界条件为压力出口。

(3)竖井内风管出口为速度入口边界条件，进口风速为20.32 m·s-1，湍流强度系数取2.5%，当量直径为1 m风管直径。

(4)隧道内壁、溜渣孔及已扩挖竖井井壁边界类型均为wall，满足无滑移条件，湍流强度系数均取2.5%，当量直径分别为8.2 m、1.4 m和9.5 m；隧道内壁粗糙颗粒高度取0.09，扩挖竖井内壁粗糙高度取0.12，粗糙系数取1；溜渣孔壁粗糙颗粒高度取0.02，粗糙系数均取0.5。

(5)竖井升压力为29.91 Pa，方向沿溜渣孔向上。

(6)炮烟抛掷区为竖井扩挖掌子面上方30 m范围内，抛掷区内CO初始浓度按表2取值。

3 结果分析

3.1 巷道式通风模拟结果分析

图7、8给出爆破后沿隧道长度方向不同时刻隧道内CO浓度分布情况。结合图7、8可知，爆破后随隧道内CO浓度分布会形成一个波峰；随着时间的推移，该波峰逐渐向洞口移动，移动过程中峰值逐渐减小；同一时刻左洞CO浓度峰值位置均比右洞距洞口近，即左洞CO浓度峰值位置移动速度大于右洞，说明左洞通风效果比右洞要好。其原因在于从右洞进入的新鲜空气除满足掌子面压入式通风的需风量外继续向右洞掌子面流动，因右洞横通道前方压入式通风段空间封闭使得横通道处压力升高，阻碍了右洞污染空气排出。爆破后安排施工作业时右洞应晚于左洞即进风洞晚于排风洞。此外，施工时隧道内危险区即CO高浓度区不断变化，施工时不得在途中尤其是作业面后方100～300 m范围内停留，应避免工作人员处于危险区工作以免造成人员伤亡。由图7可知，通风10 min后左洞掌子面后方100 m范围内的CO浓度，15 min后掌子面后方300 m范围内的CO浓度均已降至安全浓度以下。由图8可知：通风10 min后右洞掌子面后方100 m范围内的CO浓度，通风20 min后右洞掌子面后方300 m范围内的CO浓度均已降至安全浓度以下。

图7 不同通风时刻左洞CO浓度分布

图8 不同通风时刻左洞CO浓度分布

图9给出了不同通风时刻开通的横通道前后各100 m范围内的风流速度矢量图。由图9可知，右洞的新鲜风流在横通道处与从掌子面返回的污染空气相遇，使得从掌子面返回的污染空气在接近横通道处形成涡流，导致右洞的污染空气较难排出；此后两股气流汇合形成一股较强的低浓度风流，经小断面的车行横洞后在左洞形成一股速度较高风流；与从左洞掌子面返回的风流方向垂直，使得其在接近横通道处也形成小的涡流，使得左洞污染空气的排出也受到一定影响。巷道式通风时应注意横通道附近的风流组织，尽量避免在横通道附近形成大的涡流，阻碍污染空气的排出，必要时应在横通道附近加设射流风机引导污染空气快速排出。通风初始阶段横通道附近的风流复杂且变化较大，左、右洞均有较大的涡流产生，不利于污染空气的排出；至15 min后逐渐趋于稳定，风流趋于平缓，涡流减少，污染空气排出较为顺畅。

图9 风流迹线图

3.2 竖井扩挖模拟结果分析

3.2.1 竖井扩挖至57 m深

图10、11分别给出了不同通风时刻工作面上方1.6 m即男性直立时的平均呼吸道高度处CO的最大浓度和面平均浓度变化曲线。结合图10、11可知，爆破后通风6 min工作面上方1.6 m处CO浓度已降至卫生标准即30 mg·m-3或质量分数25 ppm以下。

图10 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO最大浓度值

图11 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO平均浓度值

图12给出了不同通风时刻竖井扩挖中心线上CO的浓度分布曲线。由图12可知，爆破通风后CO浓度迅速下降，并在空间分布上呈现一定的峰值特性；通风2 min时，CO浓度分布峰值位置已移至竖井口。此后，随着通风时间的增加CO浓度峰值逐渐下降，至通风9 min时竖井扩挖空间内的CO浓度全面降至安全卫生标准以下。

图12 不同通风时刻竖井中心线上的CO浓度分布

图13、14给出了通风7、9 min时竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图。由图13、14可知，通风7 min时，工作面上方30 m范围内的CO浓度均已降至卫生标准以下，但是工作面上方30 m至井口的空间内的CO浓度仍高于卫生标准；至通风9 min后竖井空间内的CO浓度均已降至卫生标准以下。

图13 通风7 min时竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图

图14 通风9 min时竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图

3.2.2 竖井扩挖至182 m深

图15、16给出了不同通风时刻工作面上方1.6 m处CO的最大浓度和面平均浓度变化曲线。由图15、16可知，爆破后通风7 min左右工作面上方1.6 m处的CO浓度已降至卫生标准以下。

图15 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO最大浓度值

图16 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO平均浓度值

图17给出了不同通风时刻竖井扩挖中心线上CO的浓度分布曲线。由图17可知，爆破后CO在竖井扩挖空间内的分布呈现出明显的峰值特性，随着通风时间的增加，峰值位置逐渐向竖井口移动；至通风12 min时，CO浓度分布峰值位置已移至竖井口。随着通风时间的增加CO浓度峰值逐渐下降，至通风19 min时竖井扩挖空间内的CO浓度全面降至安全卫生标准以下。

图17 不同通风时刻竖井中心线上的CO浓度分布

图18给出了不同通风时刻即7、10、15、19 min时竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图。由图18可知：通风7 min时工作面上方25 m至井口的空间内的CO浓度仍高于卫生标准；随着通风时间的增加，达标空气区域边界逐渐向井口移动(10 min时为工作面上方60 m，15 min时达到145 m)；至通风19 min时，该边界移至竖井口，竖井扩挖空间内的CO浓度全部降至安全卫生标准以下。

图18 不同通风时刻竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图

3.2.3 竖井扩挖至217 m深

图19、20给出了不同通风时刻工作面上方1.6 m处CO的最大浓度和面平均浓度变化曲线。由图19、20可知，爆破后通风7 min左右工作面上方1.6 m处的CO浓度已降至卫生标准以下。

图19 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO最大浓度值

图20 不同通风时间工作面上方1.6 m处的CO平均浓度值

图21给出了不同通风时刻竖井扩挖中心线上CO的浓度分布曲线。由图21可知，爆破后CO在竖井扩挖空间内的分布呈现出峰值特性，随着通风时间的增加，峰值位置逐渐向竖井口移动；至通风15 min时，CO浓度分布峰值位置已移至竖井口。此后，随着通风时间的增加CO浓度峰值逐渐下降，至通风22 min时竖井扩挖空间内的CO浓度全面降至安全卫生标准以下。

图21 不同通风时刻竖井中心线上的CO浓度分布

图22给出了不同通风时刻即7、10、15、20、22 min竖井扩挖空间内的CO浓度分布云图。由图22可知：通风7 min时工作面上方45 m范围内CO浓度已降至安全卫生标准以下；随着通风时间的增加，达标空气区域边界逐渐向井口移动(10 min时为工作面上方约85 m处，15 min时达到150 m，20 min时达到200 m)；至通风22 min时，该边界移至竖井口，竖井扩挖空间内的CO浓度全面降至安全卫生标准以下。